|作者：李晔1, † 张松波1 杨元培2
(1 中国科学院紫金山天文台）
(2 云南大学中国西南天文研究所)
本文选自《物理》2026年第2期
1 引 言
快速射电暴(fast radio bursts，FRBs)是宇宙中一类短暂而高亮度的射电爆发现象；其典型持续时间仅为数毫秒，却能在极短时间内释放出相当于太阳数周甚至数月辐射的总能量(图1)[1]。自2007年首次被发现以来，快速射电暴已成为天文学中最神秘的热点研究对象之一。迄今为止，已经发现了接近4000例快速射电暴，其中约100例探测到了重复爆发[2]。由于其极短的持续时间和极高的能量，科学界普遍相信快速射电暴与中子星等致密天体密切相关。
图1 快速射电暴FRB 010724的时间—频率图，颜色越深表示射电信号越强[1]
在诸多理论模型中，强磁场中子星(磁陀星)和中子星双星系统模型是目前讨论最为广泛的两类情景。前者认为快速射电暴起源于年轻、强磁场中子星的磁层活动过程。主要证据来自于银河系内磁陀星SGR J1935+2154产生的类快速射电暴现象FRB 200428[3，4]。然而，FRB 200428的能量显著低于银河系外快速射电暴的典型能量。并且，在部分重复快速射电暴中，所辐射的总能量已经接近于典型磁陀星的总磁能，对磁陀星模型提出了严峻挑战[5]。快速射电暴存在于双星系统的模型能够自然地解决这些问题[6]。此外，数个快速射电暴存在周期性活动，也暗示了快速射电暴可能存在于双星系统之中[7]。但长期以来始终缺乏直接、清晰的观测证据支持。在这一背景下，快速射电暴周围的环境研究可能成为区分不同起源模型的关键突破口。
2 法拉第旋转：探测快速射电暴周围磁环境的关键探针
在射电天文学中，偏振测量是研究传播路径上电子密度和磁场强度的重要方式。当电磁波穿过磁化等离子体时，其偏振角会随波长平方发生旋转，这一现象被称为法拉第旋转。旋转的程度被称为旋转量，与传播路径上的电子密度乘以磁场视线分量的积分成正比，即为法拉第旋转量(rotation measure，RM)。
法拉第旋转量对磁化等离子体环境极为敏感，因此被广泛用于研究脉冲星、活动星系核以及快速射电暴周围磁环境。与色散量(disperson measure, DM)主要反映电子柱密度不同，法拉第旋转量还编码了磁场强度与方向信息，使其成为探测致密天体附近磁结构演化的独特“磁环境探针”。
对于快速射电暴而言，法拉第旋转量的时间演化尤为重要。若快速射电暴起源于稳定环境，其法拉第旋转量应仅表现出微小扰动；若存在大尺度长期变化(例如膨胀的超新星遗迹)，则表现为缓慢变化；而若信号传播路径中存在局域、短时间的磁化等离子体活动，则法拉第旋转量可能出现显著甚至剧烈的瞬态变化。因此，对法拉第旋转量的长期、高精度监测，为研究快速射电暴周围环境提供了难得的观测窗口。
3 FAST对快速射电暴FRB 20220529的长期监测
中国“天眼”500米口径(有效口径300米)球面射电望远镜(FAST)凭借其世界领先的灵敏度和稳定的观测性能，在快速射电暴研究中发挥着不可替代的作用。依托中国“天眼”的观测优势，研究团队对重复快速射电暴FRB 20220529进行了长达2.2年的系统监测[8]。
FRB 20220529是一例亮度较低的重复暴源，其多数爆发事件信噪比较低，难以被其他射电望远镜稳定探测。这一特性使其成为体现FAST灵敏度及偏振测量能力的理想目标，同时也意味着对其偏振参数的获取具有较高技术挑战。
图2 快速射电暴FRB 20220529的观测时间(a)、探测到的FRB个数(b)、FRB爆发率(c)、色散量(d)、线偏振度(e)和法拉第旋转量(f)随着时间的变化。可以看到，2023年底法拉第旋转量出现骤变，随后在两周内回落至正常水平，清晰记录了磁化等离子体云穿过观测视线的全过程，为双星起源假说提供了直接证据
在观测初期约一年半的时间内，FRB 20220529的法拉第旋转量表现出相对平稳的统计特性，其取值主要分布在−300至+300 rad·m-2范围内，中位值约为17 rad·m-2，标准差约为100 rad·m-2。这一阶段的法拉第旋转量行为表明，快速射电暴信号沿传播路径所经历的磁化等离子体环境整体上较为稳定(图2)。
4 法拉第旋转量的剧烈跳变与快速回落
2023年12月，研究团队捕捉到一次显著偏离常态的异常事件。FRB 20220529的法拉第旋转量在短时间内突然跃升至1977±84 rad·m-2，其幅度高达之前标准差的20倍，远超此前所有观测记录(图2)。
更为引人注目的是，该异常并非长期持续状态。在峰值后，法拉第旋转量随时间呈现出几乎单调下降趋势(统计误差范围内)，并在约两周时间内逐步回落至原有的正常波动范围。这一“跳变—回落”式的演化过程，在快速射电暴观测中尚属首次。
这一观测结果表明，FRB 20220529周围的磁化等离子体环境在短时间内经历了一次剧烈而可逆的扰动事件。法拉第旋转量的快速演化排除了缓慢结构变化的可能性，指向了一种瞬态、局域的物理过程。
5 指向双星系统的关键证据
从法拉第旋转量的定义可见：一团磁化的等离子体云在数周时间尺度内穿过了地球与快速射电暴源之间的观测视线。结合法拉第旋转量的变化幅度、持续时间以及演化形态，一种物理上自然且自洽的解释是：FRB 20220529的暴源存在一颗伴星(图3)，伴星相关的磁化等离子体云经过了地球的视线方向。这一磁化等离子体云可能是伴星的星冕物质抛射(图4)，类似的过程可以参考太阳的日冕物质抛射；也有可能是伴星星风，在双星轨道运动过程中，星风进入观测视线，从而导致法拉第旋转量的显著跃变。无论具体机制如何，其共同前提都是存在一个伴星。
图3 双星系统想象图
相比之下，若快速射电暴起源于一颗完全孤立的中子星，无论是强磁场中子星耀发还是超新星遗迹等模型，都难以产生如此幅度巨大、时间尺度短暂且可逆的磁环境扰动。因此，此次观测结果为快速射电暴的双星起源模型提供了关键的观测支持。
图4 双星系统星冕物质抛射想象图
6 展望与意义
FRB 20220529的法拉第旋转量骤变事件，充分展示了中国“天眼”在研究暗弱快速射电暴及其偏振特性方面的独特能力。随着观测时间的进一步积累，以及对更多重复快速射电暴的系统监测，类似的磁环境瞬态事件有望在未来被陆续发现。
此类研究不仅有助于区分快速射电暴的不同起源机制，也为探索致密天体周围极端磁化等离子体的物理过程提供了新的观测窗口。这项研究成果已发表于国际顶级学术期刊
Science[8] ，标志着人类在揭示快速射电暴起源之谜的道路上，迈出了关键一步。这也再次印证了这样一个道理：当人类锻造出望向宇宙深空的“天眼”时，那些曾经隐匿的奥秘，终将在我们面前逐一显形。
参考文献
[1] Lorimer D R，Bailes M，McLaughlin M A et al. Science，2007，318(5851)：777
[2] FRB Collaboration，Abbott T，Andersen B C et al. 2026，arXiv：2601.09399
[3] CHIME/FRB Collaboration，Andersen B C，Bandura K M et al. Nature，2020，587(7832)：54
[4] Li C K，Lin L，Xiong S L et al. Nat. Astron.，2021，5：378
[5] Zhang J S，Wang T C，Wang P et al. 2025，arXiv：2507.14707
[6] Wang F Y，Zhang G Q，Dai Z G et al. Nat. Commun.，2022，13：4382
[7] CHIME/FRB Collaboration，Amiri M，Andersen B C et al. Nature，2020，582(7812)：351
[8] Li Y，Zhang S B，Yang Y P et al. Science，2026，391：280
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